決定SMT絲印品質(zhì)的三大要素

   在SMT中，一塊典型的PCB（印刷電路板）上，可能有幾百個元件，600到1,000個聯(lián)接點(diǎn)（即焊盤pad）。因此這些端點(diǎn)的焊接不合格率必須維持在一個*小值。一般來說，PCB不能通過測試而須要返工的有60%是由于錫膏（solderpaste）絲印質(zhì)量差而造成的。
   下面，我們將討論絲?。╯creenprinting）的基本要素，并探討生產(chǎn)中持續(xù)的**絲印品質(zhì)所需的技術(shù)。
   在錫膏絲印中有三個關(guān)鍵的要素，這里叫做三個S：Solderpaste（錫膏），Stencils（絲印模板），和Squeegees（絲印刮刀）。三個要素的正確結(jié)合是持續(xù)的絲印品質(zhì)的關(guān)鍵所在。

   決定SMT絲印品質(zhì)的要素一：錫膏（**個S）
  錫膏是錫珠和松香（resin）的結(jié)合物，松香的功能是在回流（reflowing）焊爐的**階段，除去元件引腳、焊盤和錫珠上的氧化物，這個階段在150°C持續(xù)大約三分鐘。（resin有時叫做rosin,嚴(yán)格地說，resin是天然產(chǎn)品，而rosin是人造產(chǎn)品。）焊錫是鉛、錫和銀的合金，在回流焊爐的**階段，大約220°C時回流。銀和松香都起幫助熔化焊錫和濕潤（wetting）以達(dá)到回流的作用，即助焊劑的作用。（濕潤wetting：是焊接效果的描述詞，被焊物好象被錫所浸“濕”。）
   球狀的焊錫顆粒制造成各種混合尺寸，然后篩選、分級，錫膏是按照錫珠的大小來分級的，如下：
   2型：75-53mm
   3型：53-38mm
   4型：38-25mm（m=micron=0.001mm）
   三球定律
   三球定律給生產(chǎn)提供了一個選擇絲印模板的簡單公式，錫膏中錫珠的大小必須與絲印模板相匹配，如下所述：
   經(jīng)驗(yàn)公式：
   至少有三個*大直徑的錫珠能垂直地排在絲印模板的厚度方向上。
   至少有三個*大直徑的錫珠能水平地排在絲印模板的*小孔的寬度方向上。
  計算略為復(fù)雜，因?yàn)殄a珠是用米制micron（m）來度量，而絲印模板厚度的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是美國的專用單位thou!
   （1mm=1x10-3mm,1thou=1x10-3inches,25mm?1thou.）
   錫膏類型 3x*大的錫珠尺寸 *接近的模板厚度
   2型：75-53m 3x75m=225m=9.0thou 9 thou
   3型：53-38m 3x53m=159m=6.4thou 6 thou
   4型：38-25m 3x38m=114m=4.6thou 4 thou
  絲印孔的尺寸是由元件引腳間隔（pitch）決定的，焊盤的尺寸一般是引腳間隔的一半。（絲印孔的尺寸實(shí)際上可能比焊盤（pad）尺寸小一點(diǎn)），例如，25thou（0.63mm）的間隔，絲印孔為12.5thou。因此錫膏的選用必須滿足絲印模板上*小的絲印孔：
   元件*小引腳間隔 *小絲印孔 合適的錫膏類型
   16 thou 8 thou 2型：75-53m
   12 thou 6 thou 3型：53-38m
   8 thou 4 thou 4型：38-25m
   因此，絲印模板的厚度通常是決定因素，大多數(shù)應(yīng)用是選擇標(biāo)準(zhǔn)的6thou厚的絲印模板，3型的錫膏。
   粘度
  粘度是錫膏的一個重要特性，從動態(tài)方面來說，在絲印行程中，其粘性越低，則流動性越好，易于流入絲印孔內(nèi)，印到PCB的焊盤上。從靜態(tài)方面考慮，絲印刮過后，錫膏停留在絲印孔內(nèi)，其粘性高，則保持其填充的形狀，而不會往下塌陷，這一點(diǎn)對于等待貼片前絲印在焊盤上的錫膏更為重要。
  錫膏在其容器罐內(nèi)的粘度是使用一種精巧的、通常很昂貴的實(shí)驗(yàn)室粘度計測量而得的。標(biāo)準(zhǔn)的粘度是在大約500kcps-1200kcps范圍內(nèi)，較為典型的800kcps用于模板絲印是理想的。判斷錫膏是否具有正確的粘度有一種更為實(shí)際和經(jīng)濟(jì)的方法，如下：
  用刮勺在容器罐內(nèi)攪拌錫膏約30秒鐘，然后挑起一些錫膏，高出容器罐三、四英寸，讓錫膏自行往下滴，開始時應(yīng)該象稠的糖漿一樣滑落而下，然后分段斷裂落下到容器罐內(nèi)。如果錫膏不能滑落，則太稠，如果一直落下而沒有斷裂，則太稀，粘度太低。

   決定SMT絲印品質(zhì)的要素二：絲印模板（**個S）
  使用一種厚的乳膠絲網(wǎng)，它有別于絲印模板，現(xiàn)在只有少數(shù)錫膏絲印機(jī)使用。金屬模板比乳膠絲網(wǎng)普遍得多，優(yōu)越得多，并且也不會太貴。
   厚乳膠絲網(wǎng)
   錫膏印刷技術(shù)源自于完善建立的工業(yè)絲?。╯ilk screenprinting）行業(yè)，因此術(shù)語“絲印”被源用到這種要求較稠沉淀物的錫膏印刷。厚乳膠絲網(wǎng)原本比金屬模板經(jīng)濟(jì)得多，但使用壽命不長，而且用于密腳（finepitch）也不實(shí)際。
   制造過程如下：
  在框架上張布一張尼龍、聚酯纖維或不銹鋼的絲網(wǎng)。不銹鋼絲是*好的，因?yàn)槠鋭傂?。工業(yè)絲印用的網(wǎng)很細(xì)密，大約每英寸400絲，這樣細(xì)小的油墨粒子（2-3μm）才可以很流暢地通過絲網(wǎng)。為了使錫珠通過絲網(wǎng)，建議采用一種粗糙得多的絲網(wǎng)，大約每英寸80絲。絲網(wǎng)上涂蓋光敏乳膠，通常約十層以封住網(wǎng)孔，形成一層典型的8thou的厚度。將正趨光性（黑色焊盤）透明玻璃放在上面，然后用很強(qiáng)的紫外光來曝光（如：2kw，幾秒鐘）。曝光區(qū)域變硬，軟的地方?jīng)]曝光，可被洗掉而留下網(wǎng)孔。因此，絲印時錫膏可以通過這些孔來印刷。
  絲印刮刀（squeegee）是利用泵作用原理將錫膏壓擠通過絲網(wǎng)，因此要使用一種軟的橡膠刮刀（見刮刀部分）。絲印時絲網(wǎng)與PCB之間留有1-3mm的間隙，刮刀將絲網(wǎng)壓低和PCB接觸，隨后“撕開”。這種作用是必要的，否則，錫膏會滯留在絲網(wǎng)上而不是在PCB的焊盤上。
  厚乳膠絲網(wǎng)的應(yīng)用，其局限性主要是由于開孔上有絲網(wǎng)的阻礙，得到的絲印沉淀物有限，不可以用于小于30thou的密間隔。
   金屬模板
  金屬模板現(xiàn)在在大多數(shù)的錫膏絲印機(jī)上使用。其組成是薄金屬板上開有小孔，錫膏從中印出，解決了前面網(wǎng)印的沉淀物無規(guī)律的問題。不要求絲印刮刀有泵作用，因?yàn)殄a膏可以很容易流過開孔。也不要求模板與PCB之間有間隙。
   有三種制造金屬模板的方法：化學(xué)、激光和電蝕。
   化學(xué)腐蝕
   現(xiàn)時絲印模板主要是這種方法制造的，過程如下：
  取薄銅板，或更普遍的不銹鋼板，在兩面涂蓋光敏耐酸物，正趨光性（黑色焊盤）模版分別疊放在兩面，用強(qiáng)力紫外光曝光。曝光區(qū)域變硬，而軟的焊盤區(qū)域可以被沖洗掉。然后將板放入酸中洗浴，從兩面腐蝕掉所希望孔。
  金屬板兩邊的正趨光性模版的相互定位是關(guān)鍵性的，特別是密引腳間隔的元件。如果模版定位不好，孔會形成斜坡，造成絲印不好，出現(xiàn)這種情況的機(jī)會通常是十分之一，但在過去幾年中，該問題很大成度上被解決了，因?yàn)楦倪M(jìn)的CAD數(shù)據(jù)和制造技術(shù)使失誤率下降到大約五十分之一。成功的技術(shù)將使得模版如同一個信封，將空板放入，可達(dá)到2-20micron的精度。
   孔壁不能達(dá)到太平整，因?yàn)樗崾侵鸩礁g到孔內(nèi)，但也會往板的橫向腐蝕。形成一個“8”字形截面。
   但是，由于絲印模板很薄，所以通常這不是問題。
   激光刻制模板
  另一個技術(shù)是使用電腦控制的CO2或YAG激光從板的一面切割出絲孔，可能要花去大約半個小時來刻制一塊模板，開孔區(qū)越大，時間就越多，費(fèi)用也越高。激光機(jī)大約成本為400,000美元，因此激光使用時間昂貴，結(jié)果通常一塊模板費(fèi)用是化學(xué)腐蝕的三倍。
  該系統(tǒng)很精密，但除了成本貴外，還有一個缺點(diǎn)：激光將熔化的金屬切割出絲孔，同時也容易熔化模板表面，造成表面粗糙。因此需要用沙拋光或用化學(xué)方法來清洗表面，留下幾個micron的粗糙度，看上去好象表面暗淡，對聚酯刮刀有磨損作用，并且使得模板難以清潔，雖然有人認(rèn)為粗糙度將有助于錫膏的“滾動”。
   電蝕模板
   電蝕模板現(xiàn)時約占使用的2-3%，其制造過程是加成的，不象其它工藝，模板成形方法如下：
  用光敏絕緣乳膠埋蓋住芯板（基板），通過負(fù)趨光性模版（焊盤區(qū)透明，非絲印區(qū)不透明）用紫外光曝光。焊盤區(qū)域變硬，其它區(qū)域被清洗掉，然后將芯板浸浴在酸性電解溶液內(nèi)，作為陰極聯(lián)接在電源上，陽極為耗損性鎳。經(jīng)過幾個小時，鎳就沉淀在導(dǎo)電區(qū)域（非焊盤），并可以象一張紙一樣撕下，形成絲孔。
　　這種模板有比其它模板優(yōu)越的地方，孔的內(nèi)壁很平滑，可以作成梯形，即底部比上部稍寬，1-2°的角度，這有助于錫膏穿過模板印到PCB上。在孔的底部四周形成10-20micron的“尖頭”，在焊盤周圍形成一圈邊框，絲印時有助于錫膏準(zhǔn)確地停留在焊盤上，成本大約比化學(xué)腐蝕高30%。

   決定SMT絲印品質(zhì)的要素三：刮刀（第三個S）
   刮刀有兩種形式：菱形和拖裙形，拖裙形分成聚乙烯（或類似）材料和金屬。
   菱形
  這種形式現(xiàn)在已很不普遍了，雖然還在使用，特別在美國和日本。它由截面為大約10mmx10mm的正方形組成，由夾板夾住，形成兩面45°的角度：這種刮刀可以兩個方向工作，每個行程末都會跳過錫膏條，因此只要一個刮刀。可是，這樣很容易弄臟，因?yàn)殄a膏會往上跑，而不是只停留在聚乙烯的很少的暴露部分。其撓性不夠意味著不能貼合扭曲變形的PCB，可能造成漏印區(qū)域。不可調(diào)節(jié)。
   拖裙形
  這種形式很普遍，由截面為矩形的聚乙烯構(gòu)成，夾板支持，需要兩個刮刀，一個絲印行程方向一個刮刀。無需跳過錫膏條，因錫膏就在兩個刮刀之間，每個行程的角度可以單獨(dú)決定。
   大約40mm刮刀是暴露的，而錫膏只向上走15-20mm，所以這種形式更干凈些。
   刮刀是按硬度范圍和顏色代號來區(qū)分的，例如：
   60-65shore very soft 紅色
   70-75shore soft 綠色
   80-85shore hard 藍(lán)色
   90 + shore very hard 白色
   使用之前，刮刀須調(diào)節(jié)，使其導(dǎo)向邊成直線并平行，先檢查其邊是否成直線，如果不，調(diào)節(jié)夾板的固定螺絲。
   刮刀作用
   和金屬模板比較來看，刮刀的動力學(xué)要求對乳膠絲網(wǎng)是不同的。
  在乳膠絲網(wǎng)上，刮刀需要推動其前面的錫膏，將錫膏泵壓通過絲網(wǎng)而印到絲印區(qū)域，要到達(dá)這種作用需使用一種軟的刮刀（70-75shore，綠色），其自身在與絲網(wǎng)接觸的地方發(fā)生變形。
   甚至可用更軟的刮刀（60-65shore,紅色）來在厚的混合陶瓷基底上絲印油墨。
  使用金屬模板時，刮刀將錫膏在前面滾動，無須泵作用即可流入絲孔內(nèi)，然后刮去多余錫膏，在PCB焊盤上留下與模板一樣厚的錫膏。不需要也不指望刮刀的變形，因此可以使用較硬的（即：80-85shore，藍(lán)色）或金屬的刮刀。
  刮刀硬度與壓力必須協(xié)調(diào)，如果壓力太小，刮刀將刮不干凈模板上的錫膏，如果壓力太大，或刮板太軟，那么刮板將沉入模板上較大的孔內(nèi)將錫膏挖出。
   壓力的經(jīng)驗(yàn)公式
  在金屬模板上使用藍(lán)色刮板，為了得到正確的壓力，開始時在每50mm的刮板長度上施加1kg壓力，例如300mm的刮板施加6kg的壓力，逐步減少壓力直到錫膏開始留在模板上刮不干凈，然后再增加1kg壓力。在錫膏刮不干凈開始到刮板沉入絲孔內(nèi)挖出錫膏之間，應(yīng)該有1-2kg的可接受范圍都可以到達(dá)好的絲印效果。
   金屬刮板
  在控制較好的情況下，利用聚乙烯刮板可以達(dá)到非常好的效果，而金屬刮板在生產(chǎn)中也是很好的，同時可解決一些聚乙烯所產(chǎn)生的問題。
   但記住，它不適用于乳膠絲網(wǎng)，因?yàn)闀斐蛇^度的磨損，并且沒有泵錫膏的作用。
  由金屬刀片固定于支架組成，大約40mm的伸出。不象聚乙烯刀片，它有很直的邊線，使用前無須調(diào)整。相對于聚乙烯的大約3-9個月壽命來說，其壽命是無限的。
  雖然整個刀片有短暫的柔性來接納變形翹起的PCB，但其邊不退讓和變形沉入絲孔的事實(shí)使它具有其幾個優(yōu)點(diǎn)，不管絲孔的大小如何，較大范圍的壓力（即：4-15kg）都可得到好的絲印效果。6thou的模板決定了絲印厚度也是6thou，這就避免了因操作員和其它條件的不同而產(chǎn)生的變化?？煽康慕z印厚度是特別重要的，因?yàn)楸砻尜N附元件的同平面度允許誤差是4thou，所以絲印厚度至少必須是5thou。
  由于金屬模板和金屬刮板絲印出的錫膏很飽滿，一些使用者發(fā)現(xiàn)當(dāng)他們轉(zhuǎn)換時，得到的絲印厚度太厚。這個可以通過減少模板的厚度的方法來糾正，但*好是減少（“微調(diào)”）絲孔的長和寬10%，以減少焊盤上錫膏的面積。這樣就意味著焊盤的定位變得不很重要了，模板與焊盤之間的框架密封得到改善，減少了錫膏在模板底和PCB之間的“炸開”。絲印模板底面的清潔次數(shù)由每5或10次絲印清潔一次減少到每50次絲印清潔一次。
   模板與絲印后PCB的分開
   絲印完后，PCB與絲印模板分開，將錫膏留在PCB上而不是絲印孔內(nèi)。
  對于*細(xì)密絲印孔來說，模板的厚度很重要，因?yàn)榻z孔的孔壁相對于焊盤面積變得很重要，錫膏可能會更容易粘附在孔壁上而不是焊盤上。
   焊盤面積=wxd絲孔內(nèi)壁面積=2（wxh）+2（dxh）
   焊盤面積的經(jīng)驗(yàn)公式，盡可能不小于孔內(nèi)壁的面積。例如：
  PCB上*密引腳間隔是25thou，因此*小的焊盤寬度為12.5thou或3mm，乘以比如說2mm的長度，模板為6thou（0.15mm）厚度。
   焊盤面積=0.3mmx2mm=0.6mm2
   絲孔內(nèi)壁面積=2x（0.15mmx0.3mm）+2x（0.15mmx2mm）=0.69mm2
   將模板厚度減少為4thou（0.1mm）可將情況得到改善。
   絲孔內(nèi)壁面積=2x（0.10mmx0.3mm）+2x（0.1mmx2mm）=0.46mm2
  不過，有兩個因素是有利的，**，焊盤是一個連續(xù)的面積，而絲孔內(nèi)壁大多數(shù)情況分為四面，有助于釋放錫膏；**，重力和與焊盤的粘附力一起，在絲印和分離所花的2-6秒時間內(nèi)，將錫膏拉出絲孔粘著于PCB上。為*大發(fā)揮這種有利的作用，可將分離延時，開始時PCB分開較慢。很多機(jī)器允許絲印后的延時，工作臺下落的頭2-3mm行程速度可調(diào)慢。
   絲印速度
  絲印期間，刮板在絲印模板上的行進(jìn)速度是很重要的，因?yàn)殄a膏需要時間來滾動和流入絲孔內(nèi)。如果允許時間不夠，那么在刮板的行進(jìn)方向，錫膏在焊盤上將不平。當(dāng)速度低到每秒20mm時，刮板可能在少于幾十毫秒的時間內(nèi)刮過小的絲孔。
   絲印速度的經(jīng)驗(yàn)公式
   對PCB上*密元件引腳的每thou長度，你可以允許每秒1mm的*大速度。因此：
   *密引腳間隔 *小絲孔 *大絲印速度
   50thou 25thou 每秒50mm
   25thou 12.5thou 每秒25mm
   16thou 8thou 每秒16mm
   結(jié)論
  無論你采用的絲印機(jī)的復(fù)雜性及特性如何，如果你不能選擇正確的錫膏、絲印模板和絲印刮板的結(jié)合使用，那么，絲印只是藝術(shù)，而不是科學(xué)。

   決定SMT絲印品質(zhì)的三大要素講述完畢。